一種用于步行機(jī)器人的足部模塊的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于步行機(jī)器人的足部模塊。該足部模塊具有水平和豎直兩個(gè)方向的沖擊吸收機(jī)構(gòu)共3個(gè)被動(dòng)自由度。水平方向腳跟和腳尖具有相同的沖擊吸收機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是一個(gè)四桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中鉸鏈固定在腳掌上，四連桿將地面對(duì)腳跟（尖）的沖擊傳遞到減震器，從而降低了傳遞到踝關(guān)節(jié)的力與力矩，在腳跟（尖）與腳掌間設(shè)置了制動(dòng)裝置，當(dāng)腳跟（尖）抬起后，腳跟（尖）回復(fù)到與腳掌平行的位置；豎直方向上也設(shè)計(jì)了壓縮彈簧沿軌道運(yùn)動(dòng)的沖擊吸收機(jī)構(gòu)。該實(shí)用新型不但能夠有效的減弱甚至消除步行機(jī)器人足底落地時(shí)對(duì)踝關(guān)節(jié)的沖擊，同能能夠把沖擊時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢(shì)能，為下一步態(tài)行走時(shí)機(jī)器人重心的抬升提供一部分能量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種用于步行機(jī)器人的足部模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于步行機(jī)器人的足部模塊。

【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)綜合了機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制理論、計(jì)算機(jī)、人工智能、人機(jī)工程和系統(tǒng)工程等多學(xué)科領(lǐng)域的高技術(shù)，是21世紀(jì)具有代表性的高技術(shù)。仿人機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高級(jí)和最尖端的體現(xiàn)，他們具有類(lèi)似人類(lèi)的外形，在結(jié)構(gòu)方面和步行方式上也模仿人類(lèi)。仿人機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往由上身和下肢組成，除了腿部的行走功能外，還包括手、腰和頭的功能，其自由度的數(shù)目相比雙足步行機(jī)器人有成倍的增加，與此同時(shí)，也帶來(lái)了控制規(guī)劃、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等研究領(lǐng)域更為復(fù)雜的問(wèn)題。仿人機(jī)器人的核心技術(shù)和最具挑戰(zhàn)的難點(diǎn)是雙足步行時(shí)動(dòng)態(tài)平衡的實(shí)現(xiàn)。
[0003]自從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的初期，雙足步行就被認(rèn)為是一項(xiàng)最高難度的挑戰(zhàn)。早在著名的仿人機(jī)器人ASM0、QR10和HRP-2出現(xiàn)之前的三十年中，雙足步行一直是步行機(jī)器人發(fā)展的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。最早的研究暨平臺(tái)開(kāi)發(fā)可以追溯到早稻田大學(xué)的加藤一郎在1966年和牛津大學(xué)的D.C.Witt在1968年開(kāi)始的工作。加藤一郎等人在1973年創(chuàng)建了世界上第一臺(tái)具有雙腿和雙臂并受計(jì)算機(jī)控制的仿人機(jī)器人WAB0T-1。雖然是一項(xiàng)標(biāo)志性成果，WAB0T-1只能做靜態(tài)步行運(yùn)動(dòng)。在1980年前后，一個(gè)重大的研究趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)雙足動(dòng)態(tài)步行，很多國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)始積極從事理論研究和機(jī)器人平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。到1986年，已開(kāi)發(fā)出許多能作動(dòng)態(tài)步行運(yùn)動(dòng)的雙足機(jī)器人。即便是仿人機(jī)器人已成功開(kāi)發(fā)(以1996年本田推出仿人機(jī)器人P2為標(biāo)志)了十多年的今天，雙足步態(tài)規(guī)劃和控制仍然是一個(gè)研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外還有很多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)和研究各種雙足步行機(jī)器人。
[0004]國(guó)內(nèi)外大多數(shù)雙足步行機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上都較復(fù)雜，由兩條腿構(gòu)成，關(guān)節(jié)都是主動(dòng)型的，自由度較多，雙足的自由度有8個(gè)、10個(gè)、往往多達(dá)12個(gè)，行走方式模仿人類(lèi)的步行，控制較復(fù)雜。另有一類(lèi)步行機(jī)器人通過(guò)其它方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行，包括讓機(jī)器人在勢(shì)能的作用下沿小斜面步行而下的被動(dòng)步行機(jī)器人。通過(guò)非線性振擺實(shí)現(xiàn)跨步的高蹺型雙足機(jī)器人BIPMAN2、通過(guò)學(xué)習(xí)和進(jìn)化算法實(shí)現(xiàn)雙足步行的由三個(gè)連桿構(gòu)成的簡(jiǎn)單步行機(jī)器人以及麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)過(guò)一個(gè)裝備四個(gè)驅(qū)動(dòng)器的三維半被動(dòng)步行機(jī)等等。這些雙足機(jī)器人結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，自由度較少，關(guān)節(jié)多為被動(dòng)或半被動(dòng)的。由于全部或部分關(guān)節(jié)是非主動(dòng)的，機(jī)器人往往借助外界環(huán)境的特點(diǎn)(例如斜坡)實(shí)現(xiàn)歩行。因此其活動(dòng)范圍和場(chǎng)所很小，步行能力很有限。
[0005]中國(guó)專(zhuān)利號(hào)CNlOl 143606A發(fā)明了一種利用前底減震塊、后底減震塊與中間減震塊對(duì)步行機(jī)器人腳底具有雙層串聯(lián)式緩沖減震作用的機(jī)構(gòu)。該發(fā)明機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，不能避免對(duì)中央減震塊受拉影響，同時(shí)只有豎直方向的減震作用，將嚴(yán)重影響其使用的壽命。
[0006]中國(guó)專(zhuān)利號(hào)CN101108146A發(fā)明了一種人形機(jī)器人腳，包括橡膠腳底層、腳板、六維力傳感器、上法蘭、下法蘭、傾角傳感器、觸覺(jué)傳感器、信號(hào)處理系統(tǒng)和腳面。該發(fā)明中采用了傾角傳感器、觸角傳感器及其信號(hào)處理系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)器人行走時(shí)ZMP軌跡、判斷腳的狀態(tài)和推測(cè)機(jī)器人的行走路面情，為步態(tài)規(guī)劃提供了依據(jù)。但是僅僅采用腳底的橡膠層，減震作用不明顯，且該機(jī)構(gòu)不能引導(dǎo)對(duì)垂直于足底方向的減震，使得控制變得復(fù)雜。
[0007]中國(guó)專(zhuān)利號(hào)CN101402380A發(fā)明了一種仿人機(jī)器人足部沖擊吸收機(jī)構(gòu)，包括腳底板，所述的腳底板上面設(shè)有減震柱，所述的減震柱上表面設(shè)有壓力板，所述的上壓板上面設(shè)有力傳感器和上蓋板，所述的上蓋板通過(guò)四個(gè)上蓋板安裝孔與腳底板相連，在上蓋板與腳底板之間設(shè)有四組調(diào)節(jié)墊圈，所述的力傳感器與機(jī)器人腿部相連。所述的減震柱為四個(gè)，所述的四個(gè)減震柱通過(guò)位于腳底板的前段設(shè)有腳底前緣斜面，其后端設(shè)有腳底后緣斜面，所述的腳底板下面設(shè)有防滑減震墊，可實(shí)現(xiàn)沖擊吸收機(jī)構(gòu)柔性的連續(xù)可調(diào)。該機(jī)構(gòu)雖然保證了在垂直方向上的減震，但是在水平方向上不能起到減震作用，并且易產(chǎn)生腳底圓筒與上壓板之間卡死。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]本實(shí)用新型的目的，就是為了解決上述問(wèn)題而提供一種用于步行機(jī)器人的足部模塊。該雙足步行機(jī)器人很真實(shí)地模擬了人體下肢結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，可以為醫(yī)療機(jī)構(gòu)研究人在行走所遇到的問(wèn)題提供相關(guān)數(shù)據(jù)和分析方法，有利于協(xié)助病人恢復(fù)行走，提供一套能夠服務(wù)于傷殘病人的類(lèi)人行走機(jī)構(gòu)。
[0009]本實(shí)用新型解決上述問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的:
[0010]一種用于步行機(jī)器人的足部模塊，其特征在于，包括足部減震上托盤(pán)、足部減震下托盤(pán)、豎直方向減震彈簧、帶有螺紋的減震彈簧限位銷(xiāo)、帶孔的定位螺母、足部腳掌、足部腳尖、足部腳跟、腳尖腳跟和腳掌之間的阻尼模塊和足底陣列式壓力傳感器；
[0011]其中，足部減震上托盤(pán)與足部減震下托盤(pán)通過(guò)帶螺紋的定位銷(xiāo)進(jìn)行間隙配合可相對(duì)滑動(dòng)；足部減震下托盤(pán)與腳掌通過(guò)豎直方向的螺釘螺母固定；足部腳尖腳跟與腳掌通過(guò)鉸接可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；阻尼模塊通過(guò)螺釘螺母分別固定在腳尖凸臺(tái)腳掌凸臺(tái)和腳跟凸臺(tái)腳掌凸臺(tái)之間；足部分布式壓力傳感器通過(guò)螺釘螺母與腳掌連接；上下托盤(pán)分別有4個(gè)圓孔對(duì)齊插入4個(gè)帶有螺紋的銷(xiāo)釘，每個(gè)銷(xiāo)釘上都有一根減震壓縮彈簧，銷(xiāo)釘就是壓縮彈簧運(yùn)動(dòng)的軌道；上下托盤(pán)和是被壓縮彈簧的預(yù)緊力支撐起來(lái)，同時(shí)由于帶孔螺母的限位，兩個(gè)托盤(pán)的豎直最大距離是一定的；本實(shí)用新型中，阻尼模塊采用外置彈簧油壓緩沖器。
[0012]本實(shí)用新型公開(kāi)的雙足步行機(jī)器人的柔性足部機(jī)構(gòu)，具有以下優(yōu)點(diǎn):1.整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，沒(méi)有連帶多余的結(jié)構(gòu)，節(jié)省了空間；2.足部具有水平和豎直兩個(gè)方向吸收沖擊的功能，能夠很好地減小地面對(duì)踝關(guān)節(jié)的沖擊，增加了機(jī)器人在行走過(guò)程中的穩(wěn)定性；
3.安裝方便，安裝精度和可靠性容易得到保證。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型的雙足步行機(jī)器人的外觀圖。
[0014]圖2是本實(shí)用新型的雙足步行機(jī)器人的足部模塊外觀圖。
[0015]圖3是本實(shí)用新型的雙足步行機(jī)器人的足部腳跟或腳尖沖擊吸收機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0016]圖4是本實(shí)用新型的雙足步行機(jī)器人的足部水平面機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0017]圖5是本實(shí)用新型的雙足步行機(jī)器人的足部模塊側(cè)向剖面圖。
[0018]圖6是本實(shí)用新型的雙足步行機(jī)器人的足部模塊正向剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
[0020]實(shí)施例:
[0021]首先介紹一下本實(shí)用新型的整體機(jī)械結(jié)構(gòu):
[0022]如圖1所示，A1、A2為本實(shí)用新型用于步行機(jī)器人的足部模塊示意圖。
[0023]2.下面介紹一下本實(shí)用新型涉及的用于步行機(jī)器人的足部模塊機(jī)械結(jié)構(gòu):
[0024]如圖2、圖3、圖4、圖4、圖5、圖6所示，是該步行機(jī)器人的足部模塊。每一個(gè)足部模塊都具有3個(gè)被動(dòng)自由度，3個(gè)被動(dòng)自由度均為沖擊吸收機(jī)構(gòu)，分為水平面和豎直面兩部分沖擊吸收機(jī)構(gòu)。首先是水平面的沖擊吸收機(jī)構(gòu)，腳跟和腳尖具有相同的沖擊吸收機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是一個(gè)四桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3、圖4所示，其中A、B、C出的鉸鏈固定在腳掌上，腳跟(尖)著地收到地面的沖擊力時(shí)，用過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)將地面的沖擊力傳遞到減震器，減震器將動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)換成熱能，另一部分轉(zhuǎn)換成勢(shì)能，從而降低了傳遞到踝關(guān)節(jié)的力與力矩。在腳跟(尖)與腳掌間設(shè)置了制動(dòng)裝置，當(dāng)腳跟(尖)抬起后，腳跟(尖)回復(fù)到與腳掌平行的位置。然后是在豎直方向的沖擊吸收機(jī)構(gòu)，如圖5、圖6所示，減震下托盤(pán)27與足部腳掌31相連接，減震上托盤(pán)26與踝關(guān)節(jié)門(mén)形殼體36相連接，上下托盤(pán)分別有4個(gè)圓孔對(duì)齊插入4個(gè)帶有螺紋的銷(xiāo)釘29，每個(gè)銷(xiāo)釘29上都有一根減震壓縮彈簧28，銷(xiāo)釘29就是壓縮彈簧28運(yùn)動(dòng)的軌道；上下托盤(pán)26和27是被壓縮彈簧28的預(yù)緊力支撐起來(lái)，同時(shí)由于帶孔螺母30的限位，兩個(gè)托盤(pán)的豎直最大距離是一定的。在足部模塊的底部陣列了壓力傳感器35，不但能夠測(cè)得各個(gè)區(qū)域的壓力分布值，同時(shí)也能夠起到一定的豎直方向吸收沖擊的作用。該套機(jī)構(gòu)不但能夠有效的減弱甚至消除步行機(jī)器人足底落地時(shí)對(duì)踝關(guān)節(jié)的沖擊，同能能夠把沖擊時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈黃的彈性勢(shì)能，為下一步態(tài)打走時(shí)機(jī)器人重心的抬升提供一部分能量。
[0025]在整個(gè)步行過(guò)程中，只要足底接觸地面，緩沖彈簧就處于被壓縮的狀態(tài)，所以在這里選取圓柱螺旋壓縮彈簧，彈簧的節(jié)距P = 4mm,彈簧絲直徑d = 2.0mm,在自由狀態(tài)下,各圈之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈g距S = 2.2_，以便彈簧受壓時(shí)，有產(chǎn)生相應(yīng)變形的可能。為了使彈簧在壓縮后仍能保持一定的彈性，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮在最大載荷作用下，各圈之間仍需保留一定的間距S 1() δ i的大小一般推薦為
[0026]δ j = 0.1d ^ 0.2mm
[0027]式中，d為彈簧絲直徑。彈簧的兩個(gè)端面圈應(yīng)與臨圈并緊(無(wú)間隙)，只起支撐作用，不參與變形，故稱(chēng)為死圈。因?yàn)榇藭r(shí)的彈黃圈數(shù)為7圈，所以選擇的死圈約為0.75圈；由于d = 2.0mm>0.5mm,兩支承端面需要磨平。
[0028]圓柱螺旋壓縮彈簧受載后的軸向變形量Ax可根據(jù)材料力學(xué)關(guān)于圓柱螺旋彈簧變形量的公式求得，即
Γ ? Λ 8FD;/? 8FC5/?
[0029]Ar =-r-=-
Gd4 Gd
[0030]式中:n—彈簧的有效圈數(shù)；
[0031 ] G—彈簧材料的切變模量，如以Fmax代替F，則最大軸向變形為
[0032] (I)對(duì)于無(wú)預(yù)應(yīng)力的壓縮彈簧
[0033]Δ.Τ = 8^nax ^ n
maxχ-τ r

Gd
[0034](2)對(duì)于有預(yù)應(yīng)力的壓縮彈簧
[0035]”
max,-.< I

Ga
[0036]使彈簧產(chǎn)生單位變形所需要的載荷k稱(chēng)為彈簧剛度，即
,F Gd Gd4
[0037]k = — = ~~廠
Δν SC'/? SD'n
[0038]下面進(jìn)行彈簧最主要的參數(shù)彈簧剛度k的選擇:
[0039]考慮到步行機(jī)器人總體質(zhì)量為m,6= 22kg，假設(shè)單腳支撐著地瞬間全身質(zhì)量集中在單腳，與地面產(chǎn)生的沖擊力為
[0040]F = 2m ,6g = 2X22X10 = 440N
[0041]根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，控制單腳足部4個(gè)彈簧的形變量ΛΧ < 5mm，此時(shí)彈簧的每一圈的壓縮量為

5
[0042]Δ.ν, — —mm — 0.7
[0043]此時(shí)彈簧各圈之間的間距為
[0044]δ j = p-d- Δ X1 = (4_1.8_0.71)mm = 1.49mm > 0.2mm
[0045]當(dāng)Δχ = 5mm時(shí),彈簧的剛度為
F 440?
[0046]k --=-N / mm = 22N / mm = 2.2 x I (Γ N / m
4 人\ 4x5
[0047]彈簧剛度是表征彈簧性能的主要參數(shù)之一。它表示使彈簧產(chǎn)生單位變形時(shí)所需要的力，剛度越大需要的力越大，則彈簧的彈力就越大。影響彈簧剛度的因素有很多，從式中可知，k與C的三次方成反比，即C值對(duì)k的影響很大。所以，合理的選擇C值就能控制彈黃的彈力。另外，k還和G、d、η有關(guān)。在調(diào)整彈黃剛度時(shí)，應(yīng)綜合考慮這些因素的影響。
[0048]本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本實(shí)用新型精神作舉例說(shuō)明。本實(shí)用新型所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，但并不會(huì)偏離本實(shí)用新型的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于步行機(jī)器人的足部模塊，其特征在于，包括:足部減震上托盤(pán)(26)、足部減震下托盤(pán)(27)、豎直方向減震彈簧(28)、帶有螺紋的減震彈簧限位銷(xiāo)(29)、帶孔的定位螺母(30)、足部腳掌(31)、足部腳尖(32)、足部腳跟(33)、腳尖腳跟和腳掌之間的阻尼模塊(34)和足底陣列式壓力傳感器(35)； 其中，足部減震上托盤(pán)(26)與足部減震下托盤(pán)(27)通過(guò)帶螺紋的定位銷(xiāo)進(jìn)行間隙配合可相對(duì)滑動(dòng)；足部減震下托盤(pán)(27)與腳掌(31)通過(guò)豎直方向的螺釘螺母固定；足部腳尖(32)腳跟(33)與腳掌(31)通過(guò)鉸接可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；阻尼模塊(34)通過(guò)螺釘螺母分別固定在腳尖(32)凸臺(tái)腳掌(31)凸臺(tái)和腳跟(33)凸臺(tái)腳掌(31)凸臺(tái)之間；足部分布式壓力傳感器(35)通過(guò)螺釘螺母與腳掌(31)連接；上下托盤(pán)分別有4個(gè)圓孔對(duì)齊插入4個(gè)帶有螺紋的銷(xiāo)釘(29)，每個(gè)銷(xiāo)釘(29)上都有一根減震壓縮彈簧(28)，銷(xiāo)釘(29)就是壓縮彈簧(28)運(yùn)動(dòng)的軌道；上下托盤(pán)是被壓縮彈簧(28)的預(yù)緊力支撐起來(lái)，同時(shí)由于帶孔螺母(30)的限位，兩個(gè)托盤(pán)的豎直最大距離是一定的。
【文檔編號(hào)】B62D57/032GK203946189SQ201420380367
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】張強(qiáng), 游凡, 王楊, 肖曉暉 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)